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2018 年第 4 期2018 年 4 月 0引言 中国绝大多数煤层属于低透气性煤层，加之瓦斯 抽采封孔漏气普遍，导致中国本煤层瓦斯抽采浓度较 低，抽采管道内的瓦斯浓度常经常处于爆炸限范围， 不仅给瓦斯的输送带来安全隐患，同时也制约瓦斯资 源的有效利用[1-2]。2009 年 2 月 22 日，西山煤电屯兰煤 矿发生瓦斯爆炸事故，造成 78 名矿工死亡，井下瓦斯 管道爆炸 8 000 m 多。瓦斯抽采浓度低，管道瓦斯浓 度处于爆炸限范围，是本次事故扩大化的重要原因之 一。提高煤层瓦斯抽采浓度的关键在于提高封孔质量， 为了提高煤层瓦斯抽采浓度，屯兰矿与高校合作开展 囊袋式注浆封孔技术研究，并对囊袋式注浆封孔与聚 氨酯封孔进行了试验对比。 1聚氨酯封孔的缺陷 目前，国内普遍采用发泡聚氨酯封孔法，屯兰煤 矿 222 事故前后亦采用聚氨酯封孔法。聚氨酯封孔法 适应于开采深度浅、煤层坚硬、钻孔变形小的煤层钻 孔，封孔时将双组分聚氨酯混合搅拌后，将浸有混合 材料的编织物固定在封孔管的某段长度上，并随封孔 管插入到钻孔的一定的深度，通常应避开巷道的应力 降低区或掘进防突钻孔的控制范围，依靠聚氨酯的膨 胀和凝固实现封堵钻孔[3]。该方法操作简便，是中国煤 层钻孔普遍采用的封孔方法，河南、山西、安徽、山东 等主要矿区以这种封孔方法为主。但是该方法抽采效 果很不稳定，个别钻孔的初期瓦斯抽放浓度可达 90 以上，少数钻孔的瓦斯抽放浓度可达 20以上，多数 钻孔的后期瓦斯抽放浓度仅为 5～15左右。 对于开采深度大、地应力高的大变形钻孔而言，聚 氨酯封孔存在明显的缺陷。 由于聚氨酯药液在膨胀过程中，封孔段钻孔处于开 放状态，发泡材料主要沿钻孔轴长度方向发生膨胀，对 钻孔壁几乎没有任何支承支护作用，因此密封性能较 差，同时聚氨酯膨胀后变为含气泡沫，其强度很低，具 有很大的可压缩性。煤体是一种强流变介质，随着时间 延长，钻孔与巷道一样会发生变形和断面收缩等[4-5]， 其结果使钻孔周围松动范围随采动影响和煤层变形的 影响加大，发泡体与钻孔壁发生脱离 （见图 1 ） ，有些 钻孔初期抽放效果好，几天后抽放效果突变，原因就在 于此。 a 聚氨酯收缩b 聚氨酯脱离孔壁 1.钻孔；2.聚氨酯；3.漏气通道 图 1聚氨酯封孔失效示意图 收稿日期2018-02-26 第一作者简介张文豪，1971年生，男，山西平遥人，2012年毕业 于太原理工大学采矿工程专业，高级工程师。 囊袋式封孔在屯兰矿瓦斯抽采封孔中的应用 张文豪 1，杨 栋 2 （ 1. 西山煤电 （ 集团 ） 有限责任公司技术中心，山西 太原 030053；2. 河南理工大学能源科学与工程学院，河南 焦作 454000 ） 摘要 封孔是瓦斯抽采与利用的关键技术环节，阐述聚氨酯封孔存在的缺陷，介绍囊袋式注浆封孔技术，并对囊袋 式注浆封孔与聚氨酯封孔进行试验对比。试验结果表明，抽采19个月后，囊袋带式注浆封孔的钻孔平均浓度为61.6， 聚氨酯封孔的钻孔平均浓度为23.9，囊袋式注浆封孔的封孔效果优于聚氨酯封孔。 关键词 瓦斯抽采；封孔技术；注浆封孔；囊袋式 中图分类号 TD721.6文献标识码 A文章编号 2095-0802-201804-0112-03 Application of Bag-type Sealing in Gas Extraction Sealing in Tunlan Mine ZHANG Wenhao1, YANG Dong2 1. Technology Center, Xishan Coal 2. School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, Henan, China Abstract Hole sealing is the key technical link for gas drainage and utilization. This paper described the defects of the polyure- thane hole sealing, introduced the bag-type grouting hole sealing technology, and compared the test results of the bag-type grouting hole sealing and the polyurethane hole sealing. The test results showed that, the average concentration of holes in the bag-type grouting sealing was 61.6 with better effects after drainage for 19 months, while the average concentration of holes in the polyurethane hole sealing was 23.9. Key words gas drainage; sealing technique; grouting sealing; bag-type （总第 151 期） 技术研究 112 2018 年 4 月2018 年第 4 期 2囊袋式封孔方法研究 囊袋式封孔法是河南理工大学研制的通过一次注 浆过程来实现钻孔主动支护与钻孔壁注浆两个目的的 封孔工艺[6]，通过压密和填充钻孔施工时的裂隙区来减 小漏气通道面积，解决了多年来没有解决的任意角度 注浆封孔的难题[7]。 2.1囊袋式封孔法工艺过程 在封孔时通过囊袋式中心分流阀将浆液首先注入 到两个囊袋中，内部的浆液压力可达 1.2 MPa 左右，使 其充分接触煤壁 （ 见图 2 ） ，在支承力的作用下，钻孔 周围的破碎区被牢牢压密，降低了煤的透气性。 1.中心分流阀；2.囊袋；3.抽采管 图 2囊袋内注浆 待囊袋膨胀后，位于中心分流阀上的定值爆破阀 会自动打开，进行钻孔壁注浆 （ 见图 3 ）。由于两个已 经膨胀的囊袋的封堵作用，中间段的钻孔壁注浆压力 通常达到 1 MPa 左右，浆液在压力的作用下，可以在 裂隙中最大范围地充填。 1.定值爆破阀 图 3囊袋内注浆 2.2囊袋式封孔法原理 a 对钻孔提供二次支护力。当囊袋膨胀后，囊袋 内的浆液压力为 1.2 MPa，同时注浆材料为速凝高膨胀 性水泥材料，具有较高的强度。因此囊袋封堵段钻孔 受到的支护力是注浆压力与材料的膨胀力之和，最大 限度地对钻孔初期裂隙进行压密。再者由于钻孔周围 存在较高的支护力，在一定时间内能够减缓钻孔由于 流变、采动等因素产生漏气通道；b 改变封孔段钻孔 煤体强度。在注浆压力作用下，部分注浆材料进入钻 孔周围的裂隙，不仅能够对初期裂隙进行封堵，同时 能够使封孔段钻孔周围的煤体强度得到提高。 3钻屑量测定合理封孔深度 3.1试验地点概况 屯兰矿位于山西省太原市古交市西南，该矿为高 瓦斯矿井，绝对瓦斯涌出量为 202 m3/min，相对瓦斯涌 出量为 25.15 m3/t，现开采的 2、8煤层为自燃煤层且 具有煤尘爆炸危险性。 3.2封孔深度的测定 合理的封孔深度是提高瓦斯抽采浓度及效果的关 键，确定钻孔的合理封孔深度不仅可以最大程度地抽 采煤层瓦斯，而且有助于煤体中应力的释放。如果封 孔深度过短没有超过巷道的卸压区，外界空气会在抽 采负压作用下吸入抽采管路[8]，这样大大降低抽采瓦斯 浓度及抽采纯量；封孔深度过长超过了应力峰值处， 应力峰值处到封孔段末段由于受应力影响不利于瓦斯 抽采及煤体卸压，同时可能造成该段密封体被压裂 （ 见图 4 ） ，因此确定钻孔合理封孔深度十分重要。 滓.围岩应力；L.距孔口距离；a.应力降低区；b.应力升高区；c.原始应 力区；d.应力峰值；1.密封体；2.瓦斯抽采管；3.煤体 图 4钻孔周围煤体应力与封孔深度的变化关系 由于煤体应力的变化会造成钻孔不同深度的煤层 钻屑量发生变化，因此通过向巷道煤壁打钻，测量单 位长度内的钻屑量可以初步确定钻孔的封孔深度。 在屯兰矿 28110 工作面轨道巷每隔 20 m 用风煤钻 垂直巷道顺着煤层施工直径为 42 mm 的钻孔 6 个，并 记录打钻时每米的钻屑量。图 5 为 6 个钻孔在相同进 尺下的钻屑量平均值的曲线。 图 5钻屑量测定曲线 经分析可得，该工作面应力降低区在 0 m耀6.2 m范 围内，应力升高区为 7 m耀12 m，应力峰值在 8 m耀10 m 之间。因此，试验地点合理的封孔深度为 8 m耀12 m。 4囊袋式封孔工业性试验 试验地点在 28110 工作面轨道巷，采用囊袋式封孔 法与矿方聚氨酯封孔法单孔交替试验，两种封孔方法 各施工 11 个。通过测量试验孔在联抽 15 个月～19 个 滓 d cba L （m） 1 2 3 钻屑变化趋势 平均 3.0 2.0 1.0 0.0 051015 进尺/m 1.6 2.22.22.12.32.4 2.82.92.82.6 2.32.3 2.02.0 张文豪， 等 囊袋式封孔在屯兰矿瓦斯抽采封孔中的应用 113 2018 年第 4 期2018 年 4 月 能源知识 （上接 111 页） 的电阻曲线规律，可反映出井田内的各种岩层具有不 同的物性特征，测试岩层深度、厚度及划分的地层界 面等地质信息[6]。 4结语 通过三侧向电阻率测井技术查明了勘查区内地层 层序和时代、地质特征，各层段地球物理特征。查明 了延安组在区内的含煤状况和分布特点。三侧向电阻 率测井技术是现代煤田地质勘探的一项重要技术。随 着技术进步完善，三侧向电阻率测井技术在对煤田测 井勘探中发挥重要作用。 参考文献 ［1］ 陕西煤矿学校.煤田物探学 ［M］ .北京 煤炭工业出版社， 1979. ［2］ 许兴培.TYSC 系列数字测井仪 ［M］ .西安 西北工业大学出版 社， 1991. ［3］ 刘跃麟.煤田测井在新疆金三角东部井田勘探中的应用 ［J］ .江 西煤炭科技， 20113 109-110. ［4］ 李国锋， 王新峰， 席善峰， 等.地球物理测井在焦作煤田块村营 勘探中的应用 ［J］ .甘肃科技， 20112 25-26. ［5］ 胡涛， 孙强， 刘辉， 等.应用测井曲线进行划分标志层及 断层 ［J］ .中国煤炭地质， 2010S1 97-99. ［6］ 葛华.地球物理测井在沁水煤田勘探中的应用 ［J］ .国土资 源， 20123 100-101. （ 责任编辑高志凤 ） 月 （ 封孔时间为 2011 年 11 月份 ） 之间的浓度变化，对 比两种封孔方式的效果，对比结果见图 6。 通过图 6 中钻孔平均浓度变化曲线可知 a 在联抽 15 个月后，囊袋式注浆封孔平均浓度为 48.9，矿方聚氨酯封孔平均浓度为 31.8，平均浓度 提高了 53.8； b 在已联抽了 17 个月后，囊袋式注浆封孔平均浓 度为 61.6，矿方聚氨酯封孔平均浓度为 25，平均浓 度提高了 146； c 联抽了 19 个月后，囊袋式注浆封孔平均浓度为 53.6，矿方聚氨酯封孔平均浓度为 23.9，平均浓度 提高了 124.2。 从 28110 轨道巷的囊袋式注浆封孔及矿方聚氨酯 封孔的瓦斯浓度变化曲线分析可知，囊袋式注浆封孔 经过长期抽采 （ 抽采时间接近 2 a ） 还可以保持较高的 瓦斯浓度，比聚氨酯有更好的持久高效抽采效果，从 而也说明了囊袋式注浆封孔技术适合长时间的瓦斯抽 采，体现了囊袋式注浆封孔技术的长效性。 5结语 a 囊袋式封孔方法能够针对钻孔初期裂隙通道起 到较好的压密及充填作用，同时对钻孔提供二次支护 力，缓解漏气通道的后期发育过程； b 屯兰矿 28110 工作面的合理封孔深度为 8 m～ 12 m； c 通过在屯兰矿 28110 工作面进行的工业性对比 试验表明，在抽采 19 个月后，囊袋式封孔钻孔瓦斯抽 采浓度远高于聚氨酯封孔钻孔，具有较好的长效性。 参考文献 ［1］ 王海锋.煤与瓦斯突出矿井安全煤量研究 ［J］ .中国矿业大学 学报， 2008， 372 236-240. ［2］ 王志明， 孙玉宁， 王永龙， 等.瓦斯抽采钻孔动态漏气圈特性及 漏气处置研究 ［J］ .中国安全生产科学技术， 2016， 125 139- 145. ［3］ 王辉， 王庆平， 闵凡飞.注浆封孔材料的研究进展 ［J］ .材料 导报， 2013， 277 104. ［4］ 孔德玺.深埋矿井全煤巷道围岩变形破坏特征与稳定性控制 ［D］ .太原 太原理工大学， 2015. ［5］ 苏红伟， 卢旭， 周少华.强流变岩体巷道围岩控制技术研究 ［J］ .能源技术与管理， 20041 40-41. ［6］ 孙玉宁.囊袋式注浆封孔装置及其封孔方法 中国， 2007100- 54384 ［P］ .2007-10-10. ［7］ 孙玉宁， 卢卫永， 杨坤， 等.三囊袋封堵器处置钻孔漏气技术 研究 ［J］ .中国安全生产科学技术， 20153 67-72. ［8］ 李博章.瓦斯抽放合理封孔深度的确定 ［J］ .江西煤炭科技， 20122 1-2. （ 责任编辑季鑫 ） 图 6囊袋式封孔与聚氨酯封孔浓度对比 70 60 50 40 30 20 10 0 28110轨道巷囊袋式注浆封孔 平均浓度 28110轨道巷矿方聚氨酯封孔 平均浓度 1/312/153/23/174/14/165/15/165/316/15 测孔日期 （2013/1/31-2013/6/20） 采煤方法 大部分烟煤和无烟煤均利用深度采煤法所取得， 而 近代技术已可使用露天采煤法。露天采煤法需动用每小 时能移除数百公吨的大型挖土机， 移走数百英尺之深的 表面土层， 虽然成本较低及扩挖速度较快， 但会破坏环 境景观。一般深度采煤法的深度为数百尺至数千尺， 通 常需要数个直井作为坑道通风抽走 CH4并减少矿坑内 部的热与湿度。大约 90以上的煤田利用机械方式采煤 和输送， 因而坑道内的运输主要依赖输送带， 其将煤输 送至直井， 然后再送出地面予以清洗、 分类等处理。 114